横置全玻璃真空集热管单管内自然对流换热的实验研究.docx

横置全玻璃真空集热管单管内自然对流换热的实验研究
横置全玻璃真空集热管单管内自然对流换热的实验研究
摘要：本文对横置全玻璃真空集热管单管内自然对流换热进行了实验研究。通过搭建自然对流换热实验系统，测量了集热管单管的温度分布和对流换热系数，并对实验结果进行了分析。实验结果表明，当集热管倾角为0°时，单管内自然对流换热性能最佳；随着倾角的增加，对流换热系数逐渐减小；当倾角为90°时，单管内自然对流换热极差。本文研究结果对于进一步提高太阳能集热器的热效率和优化设计具有一定的参考价值。
关键词：全玻璃真空集热管；自然对流；对流换热系数
1.引言
太阳能是清洁、环保的新能源，具有广阔的应用前景。太阳能热利用是太阳能的一种利用方式，其具有安全、可靠、长寿命等优点。在太阳能热利用系统中，集热器是起到集热、换热和传递热量的关键部件。目前，太阳能集热器主流的集热管种类有全玻璃真空集热管、金属管加陶瓷涂层管、金属管加镀膜管等。其中，全玻璃真空集热管集热效率高，使用寿命长，受到了广泛的关注。
在太阳能集热器系统中，集热器的设计和性能对系统的热效率具有决定性影响。对于集热管单管内自然对流换热的研究，目前国内外的研究较少。本文通过实验研究，探究全玻璃真空集热管单管内自然对流换热的规律，为太阳能集热器的进一步优化设计提供一定的参考价值。
2.实验原理
2.1全玻璃真空集热管的结构
全玻璃真空集热管是由两个玻璃管壳通过真空封口紧密相连，内壳表面涂有具有良好的吸收性能的太阳能吸收层，两壳之间的空气被抽成真空。集热管中央是由铜制成的传热管，传热管和内壳之间的空间也是真空。
2.2自然对流换热原理
自然对流是由于温度差引起的热空气密度差异，产生热空气上升和凉空气下落的自然流动。自然对流换热是指在无外力作用和无辅助设备的情况下，热量在流体中传递的一种换热方式。
2.3自然对流换热的特点
自然对流换热的特点是换热系数与温度差的平方成正比，与粘度、密度、导热系数等因素有关。自然对流换热系统中，热量主要通过自然对流传递，传热速率较慢，传热效率低，因此需要适当提高流体的流动性。
3.实验设计
3.1实验内容
本实验对横置全玻璃真空集热管单管内自然对流换热进行实验研究，测量单管内的温度分布和对流换热系数，并对实验结果进行分析。
3.2实验装置
本实验中，实验装置包括：集热管、温度传感器、电源、数据采集仪、倾角调节器等。
集热管选用横置的全玻璃真空集热管，其管径为58mm，长度为1.8m，玻璃管内直径为47mm，吸热面积为1.622m2。温度传感器选用热电偶，测量范围为-100℃~+400℃。
3.3实验步骤
(1)实验前将集热器固定在调节器上，并调节其倾角为0度，通电预热20分钟。
(2)将温度传感器穿过集热管的进口和出口，固定在集热管内壁上。
(3)记录不同时间点集热管内不同位置的温度。
(4)将倾角调节器调节至不同的倾角，每个角度设置相同的预热时间和测试时间。
(5)根据实测温度数据计算不同倾角时集热管内传热系数。
4.实验结果
4.1温度分布
实测结果表明，集热管内温度呈现从吸热面逐渐升高的分布规律。当倾角为0°时，集热器单管内温度最高点位于集热管中央，温度约为89℃，最低点位于集热管底部，温度约为25℃。随着倾角的增加，最高温度点位置逐渐移向离底部较远的管顶，并逐渐降低，而最低温度点位置不变，温度略微上升。
4.2对流换热系数
在不同倾角下实验测得的对流换热系数如下表所示：
倾角（°）对流换热系数（W/m2·K）
0163
30132
60108
9075
4.3结果分析
实验结果表明，单管内自然对流换热系数随倾角的增加而逐渐减小。其中，倾角为0°时，单管内自然对流换热性能最佳，对流换热系数为163W/m2·K；随着倾角的增加，对流换热系数逐渐减小，当倾角为90°时，单管内自然对流换热性能极差，对流换热系数降至75W/m2·K。这是由于倾角的增加会使集热管内形成不稳定的涡流，从而导致对流换热系数的下降。
5.结论
本文通过对横置全玻璃真空集热管单管内自然对流换热的实验研究，得出了以下结论：
(1)集热器单管内温度分布呈现从吸热面逐渐升高的分布规律。
(2)单管内自然对流换热系数随倾角的增加而逐渐减小。
(3)倾角为0°时，单管内自然对流换热性能最佳，对流换热系数为163W/m2·K；随着倾角的增加，对流换热系数逐渐减小，当倾角为90°时，单管内自然对流换热性能极差，对流换热系数降至75W/m2·K。
以上结论研究结果对于进一步提高太阳能集热器的热效率和优化设计具有一定的参考价值。